可注射自愈粘合剂天然甘草酸生物活性水凝胶用于细菌感染 ...

第一作者：Qing Li

通讯作者：万芝力

通讯单位：华南理工大学

研究速览

近期，华南理工大学的万芝力教授的团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了用于细菌感染伤口愈合的可注射自愈粘合剂天然甘草酸生物活性水凝胶的文章。作者在这项工作中，受高效临床治疗和天然皂苷甘草酸 (GA) 定向自组装的启发，创造了一种新型基于 GA 的混合水凝胶，以促进全层伤口愈合和细菌感染伤口愈合。这种水凝胶具有优异的稳定性和机械性能以及多功能特性，包括可注射、形状适应和重塑、自我修复和粘合能力。这归因于分层双网络，包括含醛 GA (AGA) 的自组装氢键纤维网络和通过 AGA 与生物聚合物羧甲基壳聚糖 (CMC) 之间的席夫碱反应形成的动态共价网络。得益于 GA 固有的强大生物活性，AGA - CMC 杂化水凝胶表现出独特而显着的抗炎作用和抗菌能力，尤其是对革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌。体内实验表明，AGA - CMC水凝胶通过促进肉芽组织的形成，促进胶原沉积，减少细菌感染，下调炎症反应，促进未感染的皮肤创面愈合和金黄色葡萄球菌感染的皮肤创面愈合。作者研究强调了利用天然药物-食品同源小分子设计的新型多功能生物活性药草水凝胶，可作为一种很有前途的生物医学伤口愈合敷料。

要点分析

要点一，实验设计原理：

作者首先为了实现这种多功能水凝胶，采用了一种温和的氧化策略来获得一个含醛的GA分子（AGA）。这种修饰不影响GA分子的纤丝自组装和随后的超分子水凝胶的形成。然后，通过AGA与生物聚合物羧甲基壳聚糖（CMC）之间的席夫碱反应，建立了互补的双网络自组装的氢键纤维AGA网络和动态共价网络的杂化水凝胶。这种双网络为AGA - CMC混合水凝胶提供了足够的机械强度和多种功能，包括可注射性、形状适应和重塑、自愈性和良好的粘附性。

要点二，AGA - CMC具有良好的抗炎作用和杀菌活性：

天然药草GA固有的抗炎作用和抗菌特性使混合水凝胶具有良好的抗炎作用和抗菌活性，特别是对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌活性。AGA - CMC水凝胶的综合特性使其能够成为一种理想的伤口敷料，能够有效地降低细菌含量，降低炎症水平，加速皮肤组织重塑，从而促进全层伤口愈合和受感染的伤口愈合。

方案1. (a) 双网络AGA-CMC水凝胶的制备。 (b) 混合水凝胶的可注射、自愈合和体外抗菌和抗炎特性。 (c) 水凝胶加速金黄色葡萄球菌感染的伤口愈合。

图文导读

图1. (a) GA纳米纤丝和AGA纳米纤丝的TEM图像及GA水凝胶和AGA0.2 - CMC水凝胶的照片。 (b) 原始CMC、AGA0.2和干燥的AGA0.2 - CMC水凝胶的FTIR光谱。 (c) AGA-CMC水凝胶的交联度和凝胶化时间。 (d) 混合水凝胶及其相应的孔隙大小的SEM图像。

图2. (a-b) AGA-CMC水凝胶的振荡应力和频率扫描。 (c) 水凝胶的屈服应力和阻尼系数（G″/G’）。 (d) 水凝胶的大变形压缩应力应变分布。 (e) AGA0.2 - CMC水凝胶在50%~70%之间的压缩应力-应变曲线。 (f) 在应变为70%的情况下，对AGA0.2-CMC水凝胶进行了三次循环加载-卸载试验。 (g) AGA0.2 - CMC水凝胶在50%、60%和70%菌株下的压缩回收率。 (h) AGA0.2 - CMC水凝胶在70%应变下承受压缩的照片。

图3. (a) 在AGA0.2 - CMC水凝胶的可塑性、重塑性和形状适应性特性。 (b) AGA - CMC水凝胶的粘度曲线。 (c) AGA0.1 - CMC和AGA0.2 - CMC水凝胶在低应力（1 Pa）和高应力（500 Pa）下的多向性曲线。 (d) AGA - CMC水凝胶的蠕变性能。 (e) 用ThT和维生素B12染色的AGA0.2 - CMC水凝胶的自愈过程。 (f-g) AGA0.2 - CMC水凝胶粘附在人皮肤、一些非生物组织和猪皮肤扭转下的照片。

图4. (a-b) 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在无菌水和AGA - CMC水凝胶孵育下的OD600的生长曲线。 (c-d) 用无菌水和水凝胶处理后的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的存活率。 (e) 用PBS和水凝胶孵育的菌株的照片。 (f) 用无菌水、AGA0.025 - CMC、AGA0.05 - CMC、AGA0.1 - CMC和AGA0.2 - CMC水凝胶处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细胞后的扫描电镜图像。

图5. (a-d) L929细胞与不同浓度的AGA - CMC水凝胶提取物孵育24 h的MTT活力如图所示。 (e) L929细胞与水凝胶提取液孵育24 h的活/死荧光染色图像。 (f) AGA - CMC水凝胶的溶血比例和溶血照片。 (g) AGA - CMC水凝胶提取物与RAW264.7细胞的生物相容性评价。 (h-i) 用不同浓度的AGA - CMC水凝胶提取物处理后，LPS刺激的RAW246.7细胞内TNF - α和IL - 6 水平。 (j) 经GA和AGA溶液处理后，LPS刺激的RAW246.7细胞内TNF - α水平。

图6. (a) 0、2、4、6、8、10天水凝胶处理后的伤口照片图。 (b-c) 水凝胶治疗后的创面面积变化及比值如图所示。 (d) 硒第10天，未经处理或水凝胶处理的再生伤口组织H&E染色的代表性图像。

图7. (a) 空白对照组、AGA0.025 - CMC、AGA0.05 - CMC、GA0.1 - CMC、AGA0.2 - CMC水凝胶在不同时间点处理伤口的代表性图像。 (b) 在0、3、7、9、11和13天伤口愈合情况。 (c-d) 第13天伤口组织的HE染色和Masson三色染色图像。 (e-f) 量化伤口边缘和其相应的Masson三色染色图像。 (g) 在第13天从受感染的皮肤中收集的金黄色葡萄球菌菌落的照片。 (h-i) 第13天，伤口组织中TNF - α和 IL - 6的免疫组化染色图像。

结论

综上所述，作者开发一种新型生物活性GA基混合水凝胶作为很有前途的敷料，可促进全层伤口愈合和细菌感染的伤口愈合。这种杂化水凝胶具有由AGA的自组装氢键超分子网络和席夫碱基交联的AGA - CMC共价网络。这种互穿的二元网络结构赋予水凝胶足够的机械强度和多种功能，包括良好的注射性、形状适应和重塑、自愈合性和粘附性。得益于天然草药分子GA的内在生物活性，AGA - CMC水凝胶表现出很强的抗炎作用和抗菌能力（特别是对金黄色葡萄球菌）。体内研究表明，AGA - CMC水凝胶可以通过促进肉芽组织的形成，促进胶原沉积，减少细菌感染，下调炎症反应，促进未感染的全层皮肤创面愈合和金黄色葡萄球菌感染的皮肤创面愈合。此外，该混合水凝胶具有良好的生物相容性，易于通过简便、可持续、生态友好的工艺制备。因此，所有这些发现突出表明，多功能生物活性草药GA水凝胶可以作为一种强大的敷料，在皮肤再生伤口愈合方面具有良好的临床应用前景。

作者简介：

万芝力，山东菏泽巨野县人，博士，副研究员，博士生导师。2016年6月毕业于华南理工大学，获博士学位；2014-2015年在荷兰瓦格宁根大学开展博士联合培养（食品物理及物理化学，Prof. Leonard Sagis）；2020-2021年在香港中文大学化学系（Prof. To Ngai）作访问学者；2016年7月-至今任职于华南理工大学食品科学与工程学院。主要从事功能性食品胶体与界面、植物蛋白加工与应用等领域的基础与应用研究，在ACS Applied Materials & Interfaces, Chemical Science, Food Hydrocolloids, Advanced Materials Interfaces, Langmuir, Journal of Colloid and Interface Science等知名刊物上发表SCI论文70余篇，引用超2200次（H指数28）；授权国家发明专利7项，申请6项；主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省自然科学基金等纵/横向项目10余项；担任欧洲学术网络Edible Soft Matter顾问委员会委员（External Advisory Board）、SCI期刊International Journal of Food Engineering副主编、Current Opinion in Food Science专栏主编、Molecules专题顾问委员会成员（Topical Advisory Panel Member）以及50余种国内外期刊审稿人。目前研究方向包括：（1）植物蛋白加工与应用，聚焦植物基特医食品、老年人营养及运动营养食品的关键技术研发；（2）功能性食品与生物胶体，主要研究界面型多相软物质及超分子水凝胶材料的结构与功能；（3）非线性表/界面流变学及微流变学；（4）益生菌、DHA等特殊活性因子的包埋、稳定及靶向输送。

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参考文献：

Qing Li, Shiqi Zhang, Ruijie Du, Yunyi Yang, Yang Liu, Zhili Wan, and Xiaoquan Yang, Injectable Self-Healing Adhesive Natural Glycyrrhizic Acid Bioactive Hydrogel for Bacteria-Infected Wound Healing, ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.2c23231